蒽并融合卟啉衍生物的电子结构与光谱性质研究

菜单

摘要：采用密度泛函理论(DFT)方法对以Zn为中心的金属卟啉及其衍生物进行理论计算。同时，在此基础上设计左侧以并苯为给体，中心金属卟啉为共轭桥，右侧以大体系吸电子基团为受体的D-π-A体系化合物。探讨其几何结构、前线分子轨道、电子吸收光谱及电荷转移性质。计算结果表明, 通过增加受体基团的吸电子能力及增加共轭强度, 可有效调节LUMO能级进而改变能隙的大小、电子吸收光谱和电荷转移特征。结果表明通过增强受体基团的吸电子性，延长受体基团的共轭平面的长度，可有效的增强化合物在近红外处的吸收效率，显著的提高该类化合物的光电性质。该类分子对改善太阳能的吸收效率有着重要的潜在利用价值。55991

毕业论文关键词：金属卟啉衍生物，大分子吸收基团；D-π-A体系，前线分子轨道，电子吸收光谱，密度泛函理论

Abstract：The theoretical studies of the Zn metal porphyrin derivatives with near-infrared (NIR) absorption were investigated using density functional theory (DFT) calculations. On the basis of this, some novel donor-π-acceptor porphyrin derivatives, which acene as donor, Zn porphyrin as conjugated bridge and conjugated electron withdraw group as acceptor, were designed and the geometry, electronic structure, excitation spectrum and charge transfer properties were discussed. Calculated results show that the lowest molecular orbital and energy gap can be adjusted and the absorption wavelength also can be changed to the NIR region. The results showed that the enlargement of electron withdrawing and π conjugation enhanced the absorption efficiency of sensitizers for DSSCs in NIR region, significantly improved optical properties of these compounds. Such molecules have important potential value to improve the efficiency of solar absorption.

Keywords：Metal porphyrin derivative, macromolecule absorbing group, donor-π-acceptor, frontier molecular orbital, electronic absorption spectrum, density functional theory

1 前言 4

2 计算方法 5

3 结果与讨论 5

3. 1 几何结构 5

3. 2 前线分子轨道 7

3. 3 电子吸收光谱 8

结论 13

参考文献 14

致谢 15

1 前言

近些年来，随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，太阳能电池作为是清洁可再生新能源，已经成为不可或缺的能源。以金属配位的金属卟啉（metalloporphyrin，简称MP）及其衍生物，越来越成为科学家们感兴趣的研究对象。其中，融合的以卟啉核为中心的芳香环大分子体系由于在可见或近红外光谱区有较强的吸收而受到极大的关注[1~7]。这一类化合物的显著特征是具有紧稠的大环结构和规律的的共轭π电子体系，有着及其优异的电子传输性能。蒽并卟啉二聚体大分子结构表现在近红外广泛的吸收，更小的HOMO-LUMO能隙，对提高现有太阳能染料敏化太阳能光电转换效率有着重要的意义。[8]实验合成报道的蒽并卟啉二聚体大分子AP-A0-Ni在973 nm出现最大吸收，并使HOMO-LUMO有着更小的能隙。以此化合物为基础，首先以Zn替代Ni设计出双融合蒽并卟啉Zn化合物TAnP。再以TAnP为母体，以左侧蒽为给体，中心金属卟啉为共轭桥，右侧以不同吸电子基团为受体的D-π-A体系化合物。分别以多元苯并的酸酐基团，酰胺，羧酸基团，及BODIPY，以及各自的平面扩展后的基团为右侧取代基团的六种化合物，分别为TAnP-SDI，TAnP-SPDI，TAnP-SNDI，TAnP-SPNDI，TAnP-2COOH，TAnP-BODIPY(结构如图1所示)。采用密度泛函理论及时间依赖密度泛函理论方法分别对七个化合物的几何结构、电子吸收光谱以及电荷传输等性质进行计算, 为设计合成新的光敏染料提供有效的理论依据和指导作用。